Ir-ram pur huwa materjal użat ħafna fl-elettronika u l-produzzjoni tal-enerġija minħabba l-konduttività termali u elettrika għolja tiegħu. L-applikazzjonijiet korrispondenti ħafna drabi jinvolvu ġeometriji kumplessi flimkien ma 'materjali kompletament densi biex itejbu l-konduttività elettrika. Għal applikazzjonijiet bħal dawn, il-manifattura addittiva (AM) tidher li hija biżżejjed għal disinji ġodda.
B'mod aktar preċiż, l-eżattezza għolja u r-riżoluzzjoni spazjali offruti mit-teknoloġija Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) tidher li hija partikolarment adattata biex tagħmel forom kumplessi ħafna u tnaqqas l-iskart materjali fil-proċess. Madankollu, minħabba r-riflettività għolja u l-konduttività termali għolja tat-trab tar-ram taħt ir-radjazzjoni tal-lejżer infra-aħmar tal-lejżer, għadha problema teknika reali li tiffabbrika materjali tar-ram pur b'porożità baxxa bil-metodu L-PBF tradizzjonali.
Proprjetajiet tat-trab tat-trab tar-ram
Ir-ram għandu konduttività termali eċċellenti, konduttività elettrika, u reżistenza tajba għall-korrużjoni u duttilità, u fis-sistema tal-metall, ir-ram għandu firxa wiesgħa ta 'sorsi u prezz baxx, u jista' jintuża b'mod wiesa 'f'ħafna oqsma bħal materjali elettriċi u termali, bijomediċina, eċċ. Ir-ram għandu riflettività għolja għad-dawl tal-lejżer, b'riflettività ta 'aktar minn 90 fil-mija għal lasers b'wavelength akbar minn 1060 nm, u rata ta' assorbiment ta 'aktar minn 60 fil-mija għal lasers b'wavelength ta' 515 nm. F'dan il-każ, dawn il-karatteristiċi tar-ram iġibu sfidi fl-ipproċessar tat-teknoloġija tal-manifattura addittiva. Ir-ram għandu konduttività termali relattivament għolja. Matul il-proċess tal-iffurmar, is-sħana se tiġi trasferita malajr fiż-żona tat-tidwib, li tirriżulta f'gradjenti termali lokali Ogħla jistgħu faċilment iwasslu għal difetti tal-proċess bħal curl tas-saff, delamination, u falliment parzjali tal-parti. Barra minn hekk, id-duttilità għolja tar-ram tagħmilha diffiċli biex jitneħħa u jiġi riċiklat trab residwu minn partijiet iffurmati. Barra minn hekk, it-trab tar-ram għandu attività tal-wiċċ għolja u huwa faċli biex jossidizza. Trab tar-ram jeħtieġ immaniġġjar u ħażna speċjali.
Il-limitazzjonijiet tal-konduttività termali għolja tar-ram u r-riflessjoni għolja tad-dawl tal-lejżer jagħmluha diffiċli biex tikkontrolla l-proċess tal-iffurmar tat-teknoloġija tal-manifattura tal-addittivi tat-trab tar-ram, u l-proċess tal-iffurmar huwa diffiċli. Fil-preżent, ir-riċerka u l-applikazzjoni tar-ram tal-istampar 3D għadhom lura wara xi materjali oħra tal-metall komuni. Ir-ram, bħala materjal ta 'integrazzjoni strutturali-funzjonali tipiku, għandu firxa wiesgħa ta' ħtiġijiet ta 'manifattura addittiva u huwa hotspot ta' riċerka fl-industrija tal-istampar 3D.
Diffikultajiet Tekniċi tal-Fużjoni Tradizzjonali tas-Sodda tat-Trab tal-Lejżer li tifforma r-ram
Is-sors tas-sħana tat-teknoloġija tat-tidwib selettiv tal-lejżer huwa r-raġġ tal-lejżer. Ir-riflettività għolja tar-ram għall-lejżer tikkawża li ħafna mill-enerġija tal-lejżer tiġi riflessa lura lejn is-sistema ottika matul il-proċess tal-iffurmar, u parti żgħira biss tal-enerġija tiġi assorbita mit-trab tar-ram. Il-blat Xi huwa kompletament imdewweb, u l-partijiet huma suxxettibbli għal difetti bħal pori u xquq, li jġibu diffikultajiet għall-iffurmar tar-ram tat-tidwib selettiv bil-lejżer. Fil-preżent, fil-qasam tar-riċerka tat-tidwib selettiv tal-lejżer u l-iffurmar tar-ram, ir-riċerka relatata tiffoka prinċipalment fuq it-titjib tad-densità tal-partijiet.
Ir-riċerka bikrija kienet limitata minn faċilitajiet ta 'hardware bħal tagħmir tal-laser. Matul il-proċess tal-iffurmar, kien diffiċli għall-laser li jdub kompletament it-trab tar-ram, u kien diffiċli li jiġu ppreparati partijiet densi. Bl-iżvilupp kontinwu tat-teknoloġija tal-laser, il-prestazzjoni tat-tagħmir tal-lejżer ġiet imtejba kontinwament, u tista 'tintuża qawwa għolja biex tiżdied id-densità tal-partijiet. Madankollu, il-lejżer rritornat fis-sistema ottika se jagħmel ħsara lill-komponenti ottiċi, u mbagħad xi riċerkaturi pproponew li metodi bħall-modifika tal-wiċċ tat-trab tar-ram u t-tnaqqis tal-wavelength tal-lejżer jistgħu jtejbu r-riflettività għolja tar-ram. It-tagħmir tal-iffurmar tat-tidwib selettiv tal-lejżer bikri uża lejżers b'qawwa baxxa, stabbiltà fqira u kwalità baxxa tar-raġġ, għalhekk kien diffiċli li jinkiseb tidwib sħiħ tat-trab tar-ram. Trab tal-liga biss b'punt ta 'tidwib baxx jew rata għolja ta' assorbiment tal-laser jista 'jiġi miżjud mat-trab tar-ram bħala binder. Taħt l-iskannjar bil-lejżer, il-binder jiddewweb biex jifforma fażi likwida li timla l-pori bejn il-partiċelli tat-trab tar-ram u tissolidifika biex tinkiseb sinterizzazzjoni Preparazzjoni tal-partijiet. Dan il-metodu jissejjaħ "metodu ta 'sinterizzazzjoni indiretta". Għalkemm l-istampar sħiħ tal-parti kollha jista 'jinkiseb b'dan il-mod, xi riċerkaturi relatati sabu li l-partijiet miksuba huma inqas densi.
Fl-akkademja, Gu Dongdong mill-Università ta' l-Aeronawtika u l-Astronawtika ta' Nanjing uża laser CO2 b'qawwa massima ta 'ħruġ ta' 1 KW, trab CuSn pre-ligat bħala binder u CuP bħala deoxidizer biex sinter Cu plus CuSn plus CuP trab biex jipprepara trab dens. 82 fil-mija partijiet tar-ram. Tang Y et al. uża laser ta '200 W għal sinter bil-lejżer Cu flimkien ma' trab Cu3P bi trab tal-metall pre-ligat Cu3P bħala binder, u finalment ipprepara parti b'densità ta '76 fil-mija. Barra minn hekk, manifatturi domestiċi bħal Shenghua 3D għamlu wkoll esplorazzjonijiet fl-istampar 3D indirett u l-iffurmar ta 'materjali tar-ram, u għamlu skoperti.
Fil-qosor, wieħed jista 'jara li r-riċerka relatata bikrija għadha limitata mill-influwenza tal-qawwa tal-lejżer u l-kwalità tar-raġġ, li tagħmel id-densità tal-partijiet ippreparati baxxa u l-kwalità tal-iffurmar fqira. Dan jeħtieġ l-użu ta 'qawwa ogħla u lejżers ta' kwalità aħjar biex tegħleb id-diffikultà tar-rata ta 'assorbiment tar-ram tad-dawl tal-lejżer u tipproduċi kundizzjonijiet stabbli li jiffurmaw, sabiex titjieb il-kwalità u l-prestazzjoni tat-tidwib selettiv tal-lejżer u l-iffurmar tal-partijiet tar-ram.
Bl-iżvilupp kontinwu tat-teknoloġija tal-lejżer, l-istabbiltà u l-kwalità tar-raġġ tal-lejżers ġew imtejba wkoll kontinwament, u xi tagħmir tal-lejżer bi kwalità għolja ta 'raġġ, stabbiltà għolja u qawwa għolja ġew użati. Xi riċerkaturi esperimentaw b'dan it-tip ta 'tagħmir u sabu li d-densità tal-partijiet tjiebet ħafna. Lykov PA et al. uża tagħmir Pro DM125 biex jipprepara kampjuni tar-ram pur b'parametri ta 'proċess differenti. Taħt il-kundizzjonijiet tal-qawwa tal-lejżer 200 W, veloċità tal-iskannjar 100 mm/s, spazjar tal-linji 0.12 mm, u ħxuna tas-saff 0.05 mm, kampjuni tar-ram pur b'densità ta ' Inkisbu 88.1 fil-mija. Kampjuni tar-ram. Ikeshoji TT et al. uża tagħmir SLM tal-laser tal-fibra b'mod wieħed ta 'qawwa għolja ta' 1KW, taħt il-kondizzjoni ta 'qawwa tal-lejżer ta' 800 W u veloċità tal-iskannjar ta '300 mm/s, kiseb kampjun tar-ram pur b'densità ta' 96.6 fil-mija, u studja l-effett tad-distanza tal-iskannjar fuq l-iffurmar Skont l-influwenza tal-kwalità tal-biċċa tax-xogħol, jinstab li meta d-distanza tal-iskannjar hija ta 'madwar 0.1mm, id-densità tal-kampjun miksub hija l-ogħla. Colopi M et al. uża l-istess tagħmir tal-laser SLM biex jipprepara kampjuni tar-ram pur b'densità akbar minn 97 fil-mija. Jadhav SD et al. uża tagħmir tal-laser tal-fibra ta 'qawwa għolja biex jikseb kampjun b'densità sa 98 fil-mija taħt il-kundizzjonijiet tal-proċess ta' densità tal-enerġija ta '740-1120J/mm3.
Għalkemm id-densifikazzjoni tal-partijiet iffurmati tista 'tinkiseb billi tiżdied il-qawwa tal-lejżer u jiġi ottimizzat il-proċess tal-iffurmar, il-lejżer rifless lura għas-sistema ottika se jeqred il-kisi ottiku u jkompli jagħmel ħsara lill-laser. Għalhekk, mhix soluzzjoni effettiva u fattibbli li tistrieħ biss fuq it-titjib tal-kwalità tar-raġġ tal-lejżer u ż-żieda tal-qawwa tal-lejżer. It-tnaqqis tar-riflettività tar-ram għall-qawwa tal-lejżer biss huwa mod effettiv biex issolvi din il-problema. Minħabba li r-ram għandu rata ta 'assorbiment tal-lejżer ta' aktar minn 60 fil-mija għal wavelengths inqas minn 515nm. Għalhekk, it-tnaqqis tal-wavelength tal-lejżer u ż-żieda tar-rata ta 'assorbiment tar-ram għal-lejżer hija ċ-ċavetta biex tirrealizza l-iffurmar selettiv tal-lejżer tar-ram.
laser aħdar
Sabiex issolvi l-problema tar-rifless għoli tar-ram tad-dawl tal-lejżer, xi istituzzjonijiet ta 'riċerka barranin bdew jużaw sorsi tal-laser ta' qawwa għolja żviluppati ġodda li jaħdmu fil-medda ta 'wavelength viżibbli, u ppruvaw jużaw tagħmir tal-laser b'wavelength ta' 515nm (laser aħdar ) għal esperimenti. Akkoppjar imtejjeb tal-enerġija tal-lejżer-ram.
Fl-2017, riċerkaturi fl-Istitut Fraunhofer għat-Teknoloġija tal-Lejżer fil-Ġermanja ħadu t-tmexxija fl-esplorazzjoni tal-istampar bil-lejżer aħdar tar-ram pur. Huma żviluppaw sistema ta 'tidwib selettiv tal-lejżer aħdar (SLM) għal ram pur jew ligi tar-ram. Stampar 3D, it-teknoloġija hija msemmija "Green SLM".
F'Novembru 2022, Trumpf (TRUMP) wera l-aħħar printer 3D-TruPrint 5000 u teknoloġija tal-lejżer aħdar fil-wirja Internazzjonali Formnext ta 'Frankfurt. Fl-2021, TRUMP nediet il-lejżer ta 'diska aħdar kontinwu ta' 3 kW ta 'qawwa għolja. Huwa rrappurtat li l-qawwa medja tal-ħruġ ta 'dan il-prodott hija għolja daqs 3 kilowatts, li tirrappreżenta l-aktar qawwa b'saħħitha fis-serje attwali tal-lejżer aħdar, u hija adattata ħafna għall-iwweldjar ta' materjali li jirriflettu għoli bħal ram u aluminju, speċjalment fil-litju. industrija tal-batteriji rappreżentata minn batteriji tal-enerġija tal-vetturi tal-enerġija ġodda. , Lejżer aħdar Trumpf (1000-3000W) jista 'jikseb sa 120 saff ta' wweldjar tal-fojl tar-ram, kważi l-ebda spatter, u l-fond tal-penetrazzjoni huwa preċiż u kontrollabbli. Barra minn hekk, dawl aħdar ta 'qawwa għolja għandu wkoll vantaġġi pendenti fl-applikazzjoni tal-manifattura addittiva ta' materjali tar-ram pur - 3D stampar.
Fl-2018, il-Korporazzjoni Shimadzu (il-Ġappun) ikkummerċjalizzat il-lejżer tad-dijodu bl-impatt blu tagħha BLUE IMPACT, li jista 'jipproduċi 100 watt ta' enerġija bi luminożità għolja. Dan il-prodott ġie żviluppat minn Shimadzu Corporation f'kooperazzjoni mal-Università ta 'Osaka fil-Ġappun bħala parti minn proġett nazzjonali fil-Ġappun. Il-lejżer BLUE IMPACT jgħaqqad ħafna dajowds tal-lejżer blu tan-nitrur tal-gallju (GaN) minn Nichia Chemical Corporation (il-Ġappun), jirdoppja l-effiċjenza mill-2006 u jżid il-qawwa tal-ħruġ b'ordni ta 'kobor. Applikazzjoni ewlenija għal-laser tad-dijodu blu ta '450nm ta' Shimadzu hija l-istampar 3D ta 'materjali tar-ram.
Il-laser aħdar imsemmi hawn fuq ġie skopert matul is-sittinijiet sas-snin tmenin. F'dak iż-żmien, in-nies użaw diversi materjali tal-kristall mhux lineari biex iwettqu lejżers Nd:YAG li jirduppjaw il-frekwenza intrakavità biex jiksbu sorsi ta 'dawl aħdar. Fis-snin disgħin, lejżers aħdar ta 'stat solidu kollu b'qawwa għolja u rata ta' ripetizzjoni għolja, li għandhom il-vantaġġi ta 'ħajja twila, affidabilità għolja, daqs żgħir u effiċjenza għolja, kisbu żvilupp mingħajr preċedent. Bit-titjib tal-kwalità tal-lejżers semikondutturi domestiċi u t-tnaqqis tal-prezz tal-lejżers semikondutturi barranin, ir-riċerka ta 'lejżers ħodor domestiċi ta' stat solidu ta 'qawwa għolja wkoll għamlet progress kbir.
L-użu tal-lejżers ħodor wera li jgħaqqad aħjar mar-ram fl-applikazzjonijiet tal-iwweldjar. Fil-fatt, wavelengths ħodor (λ=532 jew 515 nm) huma assorbiti aktar faċilment mir-ram pur mhux biss fi stat solidu iżda wkoll fi stat likwidu. Ir-rati ta 'assorbiment korrispondenti huma mistennija li jkunu bejn 40 fil-mija u 60 fil-mija fi stat solidu u 25 fil-mija sa 50 fil-mija fi stat likwidu. Skont ir-riżultati tar-riċerka mogħtija mill-Istitut Ġermaniż tat-Teknoloġija tal-Foton, meta r-ram ikun fi stat solidu f'temperatura ambjentali ta '20 grad, ir-rata ta' assorbiment għall-faxxa tad-dawl aħdar hija ta 'madwar 40 fil-mija; Minflok, niżel b'madwar 5 fil-mija. Jiġifieri, l-assorbiment tad-dawl aħdar jonqos ftit wara li r-ram jiddewweb. Din il-karatteristika tgħin biex tinkiseb toqba żgħira stabbli u kważi żero spatter meta timmanifattura r-ram. Dan huwa l-vantaġġ ovvju tal-lejżer aħdar fuq l-iwweldjar bil-lejżer infra-aħmar. Għalhekk, il-promozzjoni tal-użu mifrux ta 'lejżers ħodor fuq ram L-PBF huwa l-għan ewlieni tax-xogħol ta' riċerka attwali.
laser blu
It-tieni mod possibbli biex jittejjeb l-akkoppjar tal-enerġija tal-lejżer-ram huwa li tuża sors tal-lejżer blu, għalhekk, lejżers tad-dijodi blu ta 'qawwa għolja f'wavelength ta' 450 nm huma wkoll kandidati b'saħħithom għall-istampar bil-lejżer 3D tar-ram.
Fl-istudju tar-ram pur u liga Cu-6Sn, Hummel et al. irrimarka li r-rata ta 'assorbiment tar-ram għad-dawl blu tal-laser hija saħansitra ogħla minn 515-530 nm, u r-rata ta' assorbiment hija għolja daqs 80 fil-mija fl-istat tal-iwweldjar konduttiv, filwaqt li f'515 nm 60 fil-mija. Madankollu, anki jekk poteri ogħla huma diġà taħt żvilupp, diodes tal-lejżer blu eżistenti għadhom limitati fil-luminożità u d-dijametru tar-raġġ iffokat disponibbli, li jillimita l-applikazzjoni possibbli tagħhom f'L-PBFs, peress li dan jeħtieġ veloċità ogħla ta 'skanjar ogħla għall-iwweldjar bil-lejżer.
stampa
△ Ram, deheb, aluminju, u materjali oħra jassorbu dawl tal-lejżer blu aħjar minn wavelengths oħra ta 'dawl tal-lejżer. Immaġni permezz NUBURU/NASA 1969
F'Mejju 2022, Antarctic Bear jitgħallem li Essentium, il-manifattur tat-tagħmir oriġinali wara t-teknoloġija tal-istampar 3D High Speed Extrusion (HSE), u NUBURU, speċjalista tal-laser industrijali, ingħaqdu biex jiżviluppaw printer 3D tal-metall ġdid ibbażat fuq il-lejżer blu li jista 'Ssolvi il-punti tal-uġigħ ta 'riflessjoni faċli u li jiffurmaw diffiċli fil-proċess tradizzjonali tal-istampar 3D tal-metall tar-ram/deheb/aluminju/azzar li ma jissaddadx u metalli oħra. Huwa rrappurtat li l-magna tal-istampar 3D tal-metall tal-lejżer il-ġdida se tintegra t-teknoloġija tal-laser blu proprjetarja ta 'NUBURU u tkun kapaċi tipproċessa materjali fil-forma ta' tmigħ tal-wajer, sabiex inkunu nistgħu niddeduċu li topera fuq il-prinċipju ta 'depożizzjoni diretta tal-enerġija (DED). Barra minn hekk, NUBURU ssostni li t-teknoloġija tal-lejżer blu tista 'tippermetti l-istampar 3D sa 10 darbiet aktar mgħaġġel mill-kompetituri, filwaqt li tipprintja wkoll metall f'densitajiet għoljin ħafna.
stampa
△A laser blu NUBURU. Ritratt permezz ta' NUBURU.
NUBURU, kumpanija oħra ffukata fuq teknoloġija tal-laser blu ta 'qawwa għolja, ġabret $20 miljun biex tiżviluppa linji ta' produzzjoni industrijali u tiżviluppa swieq għall-ħażna tal-enerġija, vetturi elettriċi u stampar 3D. Il-kisi tal-lejżer u d-depożizzjoni tal-metall bil-lejżer (LMD) huma żewġ applikazzjonijiet fejn il-materja prima tissaħħan sal-punt tat-tidwib tagħha u mwaħħla mal-wiċċ. Skont NUBURU, il-vantaġġi tat-teknoloġija tal-laser blu tagħha jippermettu l-kisi tar-ram fuq l-istainless steel (u viċi versa). Lejżers blu industrijali jistgħu jiddepożitaw saff tal-metall tar-ram b'saff. Dan il-vantaġġ jestendi għall-proċess tal-manifattura addittiv tad-depożizzjoni tal-metall bil-laser (LMD). Għad-deheb, ram, aluminju u metalli oħra li jirriflettu, il-lejżer blu jista 'jibni aktar malajr milli Lejżers Infrared huma 10 darbiet aktar mgħaġġla u jagħtu kwalità ogħla.
sommarju tal-ors polari
Ir-riċerka ta 'hawn fuq turi li kemm il-lejżer aħdar kif ukoll il-lejżer aħdar jistgħu jintużaw bħala s-sors tad-dawl preferut għall-istampar 3D ta' materjali tal-metall li jirriflettu ħafna, u l-istampar 3D ta 'materjali tar-ram pur jista' jsolvi problemi relatati tajjeb u jikseb densità ogħla. Madankollu, l-ispiża ta 'dawn iż-żewġ lejżers għadha għolja fil-preżent, u t-titjib u t-tnaqqis fl-ispiża tal-lejżers aħdar/blu għadhom problemi li jridu jiġu solvuti fil-futur. Huwa prevedibbli li jekk it-teknoloġija tal-istampar bil-lejżer 3D tista 'tiġi applikata għal materjali tar-ram pur fuq skala kbira, id-daqs tas-suq tal-materjali tar-ram tal-istampar 3D huwa mistenni li jiġi estiż aktar.
